Droplet breakup- Analyse de la rupture de gouttes
Deformation and breakup of droplets in turbulence
Résumé
The atomization process is influenced by the deformation and breakup of droplets, which in turn affects the final distribution of droplet size. Several authors have related the breakup of droplets due to turbulence to their free oscillations and have shown that even, for low turbulence levels, droplets break due to a resonant mechanism. This phenomenon provides the foundation for the present study.As a baseline of this work, the theoretical linear shape oscillations of droplets are first examined from both theoretical and numerical perspectives.The first-order oscillatory motion of an initially deformed droplet, considering the dynamic effects of the surrounding fluid, is described.Subsequently, the oscillations and breakup of a single, initially unperturbed, spherical liquid droplet subjected to a homogeneous and isotropic turbulent medium are investigated.A theoretical framework for droplet oscillations is developed using a spherical harmonic decomposition that tracks the deformation of the surface from its initial state to just before its breakup as an expansion of each mode of deformation.This approach links the small perturbation amplitude deformation of the droplet to the parameters and properties of the turbulent medium, allowing us to observe how turbulence excites the different modes, ultimately leading to breakup.We relate this phenomenon to linear stability theory and analyse how the droplet lifetime is associated with the turbulence statistics for the ensemble of characteristic values.During droplet deformation, perturbations of different origins favour the growth of liquid structures of various sizes and shapes.Notably, regions exhibiting contraction (bottlenecks) and accumulation (swelling) patterns may indicate potential breakup events.To accurately predict breakup events, it is essential to consider the multiscale nature of these systems.The temporal evolution of the scale distribution is used to identify all the dynamics involved in the deformation process at each scale throughout the droplet's lifetimeThe problem is approached by direct numerical simulation of the two-phase Navier-Stokes equations using the in-house code ARCHER.By combining these three analyses, the lifetime of the droplet is studied in two parts: First, the oscillatory motion and frequency of the different modes present in the deformation through the spherical harmonic framework to shed light on the resonance mechanism. Second, the temporal evolution of the scale distribution through a multiscale analysis at the end of the droplet lifetime.
Le processus d'atomisation est influencé par la déformation et la rupture des gouttes, qui à leur tour affectent la distribution finale de la taille des gouttes. La turbulence est un phénomène prépondérant lors de l'atomisation secondaire.Plusieurs auteurs ont établi un lien entre la rupture des gouttes liée à la turbulence et les oscillations libres de celles-ci en montrant que, même pour de faibles niveaux de turbulence, les gouttes se brisent en raison d'un mécanisme de résonance. Ce phénomène est à la base de la présente étude.Comme point de départ de ce travail, les oscillations linéaires théoriques des gouttes sont examinées d'un point de vue théorique et numérique.Le mouvement oscillatoire de premier ordre d'une gouttelette initialement déformée, compte tenu des effets dynamiques du fluide environnant, est décrit.Ensuite, les oscillations et la rupture d'une gouttelette liquide sphérique unique, initialement non perturbée, soumise à un milieu turbulent homogène et isotrope, sont étudiées.Un cadre théorique pour les oscillations des gouttes est développé à l'aide d'une décomposition en harmoniques sphériques qui suit la déformation de la surface depuis son état initial jusqu'à juste avant sa rupture.Cette approche relie l'amplitude de la déformation de la goutte d'eau par petites perturbations aux paramètres et aux propriétés du milieu turbulent, ce qui nous permet d'observer comment la turbulence excite les différents modes, conduisant finalement à la rupture.Nous relions ce phénomène à la théorie de la stabilité linéaire et analysons comment la durée de vie des gouttes est associée aux statistiques de turbulence pour l'ensemble des valeurs caractéristiques.Pendant la déformation des gouttes, des perturbations d'origines diverses favorisent la croissance de structures liquides de tailles et de formes variées.En particulier, les régions présentant de la contraction (goulots d'étranglement) et d'accumulation (dilatation) peuvent indiquer l'avènement d'une rupture.Pour prédire avec précision les événements de rupture, il est essentiel de prendre en compte la nature multi-échelle de ces systèmes.L'évolution temporelle de la distribution des échelles est utilisée pour identifier toutes les dynamiques impliquées dans le processus de déformation à chaque échelle tout au long de la durée de vie de la goutteletteLe problème est abordé par simulation numérique directe des équations de Navier-Stokes à deux phases à l'aide du code interne ARCHER.En combinant ces trois analyses, la durée de vie de la gouttelette est étudiée en deux parties : Premièrement, le mouvement oscillatoire et la fréquence des différents modes présents dans la déformation à travers le cadre harmonique sphérique afin de mettre en lumière le mécanisme de résonance. Deuxièmement, l'évolution temporelle de la distribution d'échelle par une analyse multi-échelle à la fin de la durée de vie de la goutte.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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